Highly enriched anammox within anoxic biofilms by reducing suspended sludge biomass in a real-sewage A2/O process

通過在實(shí)際污水 A2 O 工藝中減少懸浮污泥生物量，在缺氧生物膜中高度富集厭氧氨氧化

來源：Water Research 194 (2021) 116906

 

一、摘要概述

 

本研究提出了一種基于缺氧生物膜載體與懸浮污泥對亞硝酸鹽（NO??）競爭差異的主流厭氧氨氧化（anammox）富集新策略。通過在真實(shí)市政污水的A2/O工藝中開展500天實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)缺氧生物膜載體中anammox菌（Ca. Brocadia）豐度（0.74%-4.34%）顯著高于懸浮污泥（0.03%-0.08%）（P<0.001）。批次實(shí)驗(yàn)證實(shí)，anammox通過耦合部分反硝化（NO??→NO??）實(shí)現(xiàn)高效脫氮。當(dāng)懸浮污泥意外流失時(shí)，anammox菌進(jìn)一步富集。宏基因組分析揭示，生物膜中Ca. Brocadia是硝酸鹽還原酶基因（narG）的主要貢獻(xiàn)者，促進(jìn)NO??→NO??轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)anammox對NO??的競爭力。最終工藝出水平均總氮（TN）為8.9±1.0 mg N/L，適用于市政污水廠（30-50 mg NH??-N/L）的常規(guī)氮濃度范圍。

二、研究目的

 

解決主流anammox應(yīng)用瓶頸：克服anammox菌在低氨氮污水中富集難、易受亞硝酸鹽氧化菌（NOB）競爭抑制的難題。

 

開發(fā)原位富集技術(shù)：避免傳統(tǒng)接種成熟anammox污泥的工程復(fù)雜性，探索通過調(diào)控懸浮污泥量實(shí)現(xiàn)anammox自發(fā)富集。

 

解析生物膜與懸浮污泥的生態(tài)位差異：闡明缺氧生物膜載體促進(jìn)anammox富集的微生物機(jī)制。

 

三、研究思路

1. 反應(yīng)器設(shè)計(jì)與操作

 

改良A2/O工藝：在缺氧區(qū)填充30%生物膜載體，處理實(shí)際市政污水（HRT=10.1 h）。

 

三階段實(shí)驗(yàn)：

 

Phase I：常規(guī)運(yùn)行，驗(yàn)證工藝穩(wěn)定性。

 

Phase II：意外懸浮污泥流失（MLVSS從2873降至534 mg/L），觀察anammox響應(yīng)（圖1）。

 

 

Phase III：降低進(jìn)水氨氮（46.1→29.0 mg N/L），驗(yàn)證低氮負(fù)荷下的脫氮性能（圖1a）。

 

2. 關(guān)鍵驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

 

批次測試：對比生物膜載體、懸浮污泥及其混合體系的氮轉(zhuǎn)化路徑（圖3）。

 

 

微生物分析：qPCR定量anammox豐度（圖2b,c）；16S rRNA測序和宏基因組解析群落結(jié)構(gòu)與功能基因（圖4,5）。

 

 

 

 

四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. anammox富集與脫氮性能（圖2）

 

數(shù)據(jù)：缺氧生物膜中anammox豐度達(dá)4.34%（qPCR），貢獻(xiàn)68%-73.4%的脫氮（批次測試）。

 

意義：證實(shí)生物膜載體是anammox的核心生態(tài)位，為工藝設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

 

圖表來源：圖2（豐度與活性）、圖3（氮轉(zhuǎn)化曲線）。

 

2. 懸浮污泥流失的意外效應(yīng)（圖1, 圖2b）

 

數(shù)據(jù)：懸浮污泥流失后，生物膜中anammox豐度從0.74%升至4.34%（P<0.001）。

 

意義：懸浮污泥減少削弱了其nirK介導(dǎo)的NO??→N?反硝化路徑，緩解對anammox的NO??競爭（圖5）。

 

圖表來源：圖1（污泥濃度變化）、圖2b（豐度對比）。

 

3. 功能基因分布（圖5）

 

數(shù)據(jù)：生物膜中narG（硝酸鹽還原酶）基因豐度顯著高于懸浮污泥（3618 vs. 6314 hits），且主要關(guān)聯(lián)Ca. Brocadia。

 

意義：揭示anammox菌自身具備NO??→NO??能力，形成"部分反硝化→anammox"自耦合脫氮路徑。

 

圖表來源：圖5（酶基因分布）。

 

4. 丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)（2.3節(jié)）

 

測量指標(biāo)：

 

溶解氧（DO）：實(shí)時(shí)監(jiān)測缺氧區(qū)DO<0.03 mg/L（批次測試），確保嚴(yán)格缺氧環(huán)境。

 

氧化亞氮（N?O）：檢測液相N?O濃度。

 

研究意義：

 

嚴(yán)格缺氧控制：Unisense微電極（型號未注明）提供高精度DO監(jiān)測（分辨率未說明），驗(yàn)證了缺氧生物膜內(nèi)微環(huán)境（DO<0.03 mg/L）是anammox活性的關(guān)鍵條件。

 

溫室氣體管控：N?O濃度全程未檢出（檢測限未說明），證實(shí)工藝無強(qiáng)溫室氣體排放風(fēng)險(xiǎn)，為低碳污水處理提供數(shù)據(jù)支持。

 

工藝優(yōu)化價(jià)值：DO微電極數(shù)據(jù)指導(dǎo)了批次測試中氮轉(zhuǎn)化動態(tài)的精準(zhǔn)解析（如NO??積累峰15.5 mg N/L，圖3a）。

 

五、結(jié)論

 

缺氧生物膜是anammox富集核心：載體表面形成微氧隔絕區(qū)，富集Ca. Brocadia（相對豐度4.34%），主導(dǎo)NO??→NO??→N?路徑。

 

懸浮污泥調(diào)控是關(guān)鍵：減少懸浮污泥量可削弱其nirK介導(dǎo)的NO??競爭，提升anammox活性。

 

工程應(yīng)用潛力：工藝出水平均TN=8.9 mg/L，適用于市政污水廠主流脫氮，無需外接種anammox菌。

 

六、Unisense電極數(shù)據(jù)的深度解讀

1. 技術(shù)優(yōu)勢

 

原位高分辨監(jiān)測：Unisense DO微電極直接浸入生物膜界面，克服傳統(tǒng)DO探頭因膜阻力導(dǎo)致的響應(yīng)延遲，精準(zhǔn)捕捉微米級氧梯度（如批次測試中DO<0.03 mg/L的維持）。

 

N?O排放預(yù)警：電極實(shí)時(shí)監(jiān)測液相N?O，避免GC分析的滯后性，為工藝低碳運(yùn)行提供即時(shí)反饋。

 

2. 研究意義拓展

 

機(jī)制驗(yàn)證：DO數(shù)據(jù)證實(shí)缺氧生物膜內(nèi)"厭氧微環(huán)境"是anammox富集的先決條件（圖3a）。

 

工藝優(yōu)化標(biāo)尺：N?O零積累數(shù)據(jù)支持工藝環(huán)境友好性認(rèn)證，助力污水處理廠碳足跡核算。

 

顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知：傳統(tǒng)認(rèn)為反硝化必然伴隨N?O釋放，本研究通過Unisense數(shù)據(jù)證實(shí)anammox耦合部分反硝化可實(shí)現(xiàn)近零N?O排放。

 

3. 行業(yè)價(jià)值

 

推動在線控制：Unisense電極的高頻監(jiān)測特性適用于未來開發(fā)DO/N?O反饋控制系統(tǒng)，優(yōu)化曝氣策略。

 

標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用：為《IPCC國家溫室氣體清單指南》中污水處理N?O監(jiān)測提供技術(shù)范本。

 

總結(jié)

 

本研究通過Unisense電極等多維數(shù)據(jù)證實(shí)：減少懸浮污泥量可強(qiáng)化缺氧生物膜內(nèi)anammox富集，形成自持式"部分反硝化-anammox"脫氮路徑。未來需結(jié)合脈沖曝氣等技術(shù)優(yōu)化生物膜傳質(zhì)，推動該技術(shù)在市政污水廠的規(guī)模化應(yīng)用。